智慧农村饮水远程监控系统的设计

韦 乐，丁 欣，尹江红，钟泰全

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

1 概述

1.1 农村饮水安全概况

饮水安全不仅是要保障人民群众喝上水，而且喝的是放心水。在“十三五”期间，通过建设，全国提升了超过2.7 亿的农村人口的供水保障水平，全面地解决了1095 万贫困人口的高氟水、苦咸水等饮水安全问题。全国农村自来水的普及率、集中供水率分别达到了83%和88%，农村供水保障水平得到了显著地提升[1-2]。

《全国“十四五”农村供水保障规划》提出了农村供水建设和管理的新标准，对“十四五”期间新建和改造的农村供水工程，在建设、运行管护、水源保护、维修服务、水价机制、用水户参与等管理方面提出了明确要求。《规划》指出，预计到2025 年，全国农村自来水的普及率要达到88%，将进一步优化农村供水布局，进一步完善工程长效运行管理体制机制，农村供水的保障水平更高。到2035 年，我国将基本实现农村供水的现代化[3]。

“食以水为先”，农村供水的现代化程度直接影响人民生活的幸福感，必须坚持以人民为中心，加强水质安全保障，提高供水系统运行管理，不断提高农村饮水安全的保障能力，激发全面振兴发展的强大动力，全力助推乡村振兴战略顺利实施[4]。

1.2 农村饮水存在的主要问题

据统计，截至2021 年底，全国仍有将近20%的农村、城镇居民使用分散式供水系统。使用分散式供水系统的1.6 亿人口主要分布在中西部地区。受资金、投资标准等因素的制约，早期及中期建设的饮水工程存在覆盖率小、水处理工艺贫乏、供水系统供水保障率低等缺陷。全中国千吨数万人规模以上供水系统还有20%～30%的工程需要配套能够完善净化消毒和进行处理的设备水质、浑浊度化验室。所设计供水系统规模为20～1000 的供水工程，50%～60%需要配套改造净水设施和进行消毒的设备。其中设计供水规模为20（收益人口在200 人范围内）以下的供水工程，基本没有净水设施和消毒等设备，水质保障达不到基本要求[5]。

由于农村人口居住分散，供水工程施工难，后期维护成本高，农村居民经济承受能力有限，大多数单村系统工程建设十分困难。一是部分供水工程运行到后期维护和管理费用严重不足[8]。城镇及农村供水实际上执行的水价低成本价，大部分供水工程难以估计折旧费和大修费，不具备后期供水系统的大修和更新改造的能力。二是由于农村供水工程建设普遍存在规模小，集约化、多样化等机制的建立比较困难管理。

根据实地调研某城镇10 余个村庄，目前这些村庄主要通过抽取地下水到供水水塔，然后通过管网供输送到各家各户供村民饮用。近年来因使用水量的增加和供水系统的设备老化的原因，导致村里的供水系统出现不少问题：

（1）供水控制系统可靠性差

现有的农村供水系统是继电器控制，通过浮球开关来控制水位。由于控制回路可靠性差，经常导致冒罐、停水等故障发生，使得供水不稳定。

（2）无法远程监控，供水系统信息传递不及时

现有控制系统为就地控制，基本远离村庄1-2 公里，无法进行远程监控，导致供水信息传递不及时，设备管理困难，监管不到位。

（3）无水质检测功能

根据《农村饮水安全评价准则》（T/CHES18-2018）的安全评价标准，农村饮用水的PH 值、色度、臭和味、浑浊度、肉眼可见物等要符合标准，现有系统无水质检测功能，水质易出现浑浊、PH 值超标等问题[6]。

（4）供水系统运行能耗大

由于现有系统自动化程度低，无法准确地检测系统的实际水位，无法智能地进行运行与管理，造成能源浪费。

合理、适当的开发和保障饮用水资源，通过提高农村供水的现代化水平来带动基层群众生活水平的提高，通过加强饮水安全工程的信息化建设来解决民生问题，在惠农工作的促进方面也起到了重要作用[7]。

2 系统设计

2.1 系统功能

针对上述农村供水系统存在的问题，根据原有设备的基础上进行系统设计和改造，系统应有以下功能和特点：

（1）系统结构简单、使用方便，并具有故障率低、功耗低、控制精度高等特点；

（2）监控手段多样化，用户可通过手机，电脑等终端设备进行对系统进行远程控制，具有对水位、水质PH 值、浑浊度等监视效果；

（3）系统扩展能力强，系统进行设备加装时不会影响原有设备正常运行，制造周期短，后期维护简单。

（4）系统控制能优化调节，降低运行损耗，能达到节能的目的。

（5）能对系统管理提供数据查询功能，包括用水量历史曲线、故障报警记录、操作记录等。

2.2 系统设计思路

为满足系统的功能和需求，通过采用PLC 控制技术、网络技术、组态技术、自动检测技术等，由PLC、变频器、远程服务器、液位传感器、PH 传感器等元器件组成控制系统[8]。系统通过液位传感器、浑浊度传感器等对水位、浑浊度等参数进行采集，PLC 通过对采集而来的信息进行分析判断，完成对水塔、水泵等设备的控制；通过利用远程控制模块将水位、水泵等参数实时传输到远程PC 终端，同时用手机APP 作为系统的辅助管理手段，实现在线监视、故障报警等功能，实现对饮水系统的远程监控。系统控制框图如图1 所示。

图1 智慧农村饮水安全远程监控系统控制框图

本系统控制框图以乡镇级供水监控系统为例，每个子系统对应一个村庄的供水水站，每个供水水站可以单独监控运行，也可以进行组网，有乡镇水利部门集中监控；监控系统架构以实际情况为准，可根据实际情况进行系统扩展。

2.3 硬件选型设计

系统硬件的主要组成设备包括：液位传感器、西门子S7-1200PLC、西门子MM440 变频器、远程控制模块、水质监测仪表等。系统主要设备功能和特点如下：

（1）本系统采用WH311 型液位传感器，本产品采用全不锈钢封焊，在产品密封性、抗冲击能力、防潮性等性能比较显著，可将水位的压力转换成标准的电信号4-20mA，产品的性能可靠、测量精确[9]。

（2）西门子S7-1200 是一款性能优越、功能强大的PLC，它配合博图软件，易于设计，可以方便地组态、使用功能齐全的控制指令，与西门子其他设备进行无缝连接；既能完成比较简单逻辑控制，也可以完成数据处理、网络通信的高级应用，目前广泛应用于工业控制现场。

（3）MM440 变频器由整流器、逆变器、保护电路等组成，主要用于电机的调速，具有运行可靠性高、功能多样性等特点，且在工业应用中使用广泛。由本系统使用MM440 变频器主要是根据系统的控制要求用来控制水泵的转速，达到节能的目的[10]。

（4）本系统采用威纶通SVR-200 服务器。SVR-200 远程服务器能使用平板、手机、电脑进行远程操作与监控。不在控制现场时，能进行PLC 远程穿透直接控制。它支持802.11b/g/n 通讯标准与WPA/WPA2安全模式，即使在比较复杂的控制环境中，也能快速迪、精确的、安全地传送数据。

（5）PH 水质检测传感器是用来检测水质中的PH值，系统选用中核仪表生产的CN11D 型传感器，包含变送器、PH/ORP 电极、电极安装支架等基本部件，使用方便，测量精度高[11]。

通过设备安装调试，实验系统模型如图2 所示。

图2 智慧农村饮水安全远程监控系统整体结构图

2.4 软件设计

软件设计包括PLC 程序设计和上位机监控系统设计。

2.4.1 PLC 程序设计

PLC 程序采用西门子博图软件V16 进行编程，此软件编程指令丰富、简单易用，采用结构化编程方式，以比较简单易懂的梯形图语言编写。程序控制流程如下：PLC 上电运行后，先进行程序初始化；然后系统根据外部信号进行判断是就地控制还是远程控制，若为就地操作，由水站工作人员进行手动操作控制；若为远程操作，则上位机监控系统通过接收PLC 上传的数据对PLC 进行控制；当进行自动控制时，则通过各个水站的PLC 传送的监测信号和给定信号，自动进行控制[13]。

程序流程如图3 所示。

图3 智慧农村饮水安全远程监控系统程序流程图

主要程序说明：

（1）数据采集程序：包括水位、流量等数据采集。水位采集程序说明：通过采用NORM_X、SCALE_X指令来完成水位高度的数据处理。NORM_X 为模拟量标准化，SCALE_X 模拟量缩放，IW96 为水位高度的采集地址，10.0 为液位传感器的最大量程。

（2）变频控制程序：当水位低于1 m，变频器以50 Hz 运行；当水位超过1 m，低于4 m，变频器以20 Hz运行；当水位高于4 m，变频器停止运行；通过不同水位高度来调节水泵转速，达到节能的目的。

（3）故障报警程序：例如当采集到的水管管道压力数值异常时，即接通报警指示灯进行故障报警。

2.4.2 上位机监控系统设计

上位机监控系统的开发采用威纶通公司开发的EBproV6.08 版本的组态软件来实现。EBpro 软件在触摸屏界面设计，数据的传输、保存、维护、管理等方面功能十分强大，并且EBpro 具有良好的开放性，可与多种控制器进行通信，因此选择EBpro 作为上位机组态软件可以提高开发的效率，优化系统流程[12-13]。

综合考虑系统功能和控制要求，我们设计了监控操作界面。界面包括供水系统的主界面、数据查询界面、报警记录以及通讯测试等界面。具体实现以下功能：

（1）能够实时监测供水系统的水位、流量、PH 值等参数，并对这些参数进行超值报警。

（2）对系统运行方式进行选择，并显示当前的运行状态。

（3）能水泵的电压、电流等运行参数进行实时显示，以及是运行状态；并能通过界面设置水泵的运行频率，控制水泵启停。

（4）可以进行查询供水系统运行趋势图、相关数据报表、报警记录等[14-15]。

3 实验仿真

通过对实验室模型设备进行功能测试，测试的结果显示系统能完好的实现控制功能要求，系统运行监控界面如图4 所示。

图4 系统上位机监控界面

传统的继电器供水控制系统与加装智慧农村饮水安全远程监控系统，从农村饮水安全的4 个指标进行对比，两个系统使用效果对比如下：

表1 系统使用效果对比

通过对比可以得出，加装智慧农村饮水安全远程监控系统后，在供水的水质、水量、方便程度和保障率上，都比传统的继电器供水控制系统有了很大的提高。

4 结论

通过加强互联网信息化的饮水工程建设，是促进各地区农村饮水安全巩固提升的重要手段，达到农村饮水工程一体化管理的目的。农村供水系统通过加装智慧农村饮水远程监控系统，可以将先进的互联网技术逐步推广和应用到各地区农村饮水安全工程的取水、分析水、检测水、制水、用水等环节，进一步完善和实现各地区农村饮水安全全过程实时监测和水质分析处理等，也可以有利于行政主管部门的实时监管；同时，也要完善管理机制，加强制水企业在农村安全饮水工程中的主体作用和行政主管各部门的监督指导作用，为保证农村饮水安全发挥重要作用。提高农村饮水安全，不仅是巩固脱贫攻坚成果，也是为全面推进乡村振兴提供有力的支持和保障。